JP2022037084A - Method and system for detecting leaks in fluid system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and system for detecting leaks in a fluid system.
SOLUTION: A method of detecting leaks in a fluid system comprises determining an outflow amount of at least one first fluid within a certain time interval, determining an expected consumption of the first fluid during the certain time interval, determining a difference between the determined outflow amount and the determined expected consumption (step 44), and detecting a leak on the basis of a comparison between a reference value and the determined difference (step 46).
SELECTED DRAWING: Figure 2
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、独立方法請求項の前提部に記載した方法、独立システム請求項の前提部に記載したシステム、並びに並列式の独立システム請求項の前提部に記載した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to the method described in the premise of the independent method claim, the system described in the premise of the independent system claim, and the fuel cell system described in the premise of the parallel independent system claim.

流体システム内の漏れを検知するための方法およびシステムは、従来技術により公知である。 Methods and systems for detecting leaks in fluid systems are known in the art.

このために、通常は流体システムの様々な領域内に圧力センサが配置されており、これらの圧力センサは、システム圧力を適切な運転状態で監視し、定常の状態でもまた非定常の状態でも漏れを検知することができる。ガスが流れていない定常状態では、漏れは通常は迅速な圧力低下に基づいて確認される。これに対して、ガス流が発生する流体システムの運転中では、漏れは、定常流れにおいて低すぎる圧力の発生が確認されることによってのみ検出される。 For this purpose, pressure sensors are usually placed in various areas of the fluid system, which monitor the system pressure in proper operating conditions and leak in both steady and unsteady states. Can be detected. In steady states with no gas flowing, leaks are usually confirmed on the basis of a rapid pressure drop. In contrast, during the operation of a fluid system in which a gas flow is generated, leaks are detected only by confirming the generation of pressure that is too low in the steady flow.

本発明の対象は、独立方法請求項の特徴を有する方法、独立システム請求項の特徴を有するシステム、並びに並列式の独立システム請求項の特徴を有する燃料電池システムである。本発明のその他の特徴および詳細は、それぞれの従属請求項、明細書および図面に記載されている。この場合、本発明による方法に関連して記載された特徴および詳細は、もちろん本発明によるシステムおよび本発明による燃料電池システムにも関連して当てはまり、またそれぞれその逆でもあるので、個別の発明概念の開示に関連して、常に相互に引き合いに出されてよい。 The object of the present invention is a method having the characteristics of the independent method claim, a system having the characteristics of the independent system claim, and a fuel cell system having the characteristics of the parallel type independent system claim. Other features and details of the invention are described in their respective dependent claims, specification and drawings. In this case, the features and details described in connection with the method according to the invention also apply, of course, to the system according to the invention and the fuel cell system according to the invention, and vice versa. May always be referred to each other in connection with the disclosure of.

主請求項記載の本発明による方法は、特に流体システム、好適には燃料電池システム、特にPEM燃料電池システム内の漏れを検出するために用いられる。この場合、この方法の利点は、特に流体システムの運転中でも既に小さい漏れを確実に検出できるという点にある。これは、漏れを検知するための従来の方法では不可能である。従来の方法では、アクティブな状態では、中くらいから大きい漏れだけが確実に検知され得る。この場合、特にPEM燃料電池システムにおいては、高いシステム気密性が安全上重要なファクターである。何故ならば、水素は可燃性ガスであって、PEM燃料電池内にたいていは大量に存在するからである。 The method according to the present invention described in the main claim is used for detecting a leak in a fluid system, preferably a fuel cell system, particularly a PEM fuel cell system. In this case, the advantage of this method is that it can reliably detect already small leaks, especially while the fluid system is in operation. This is not possible with conventional methods for detecting leaks. Traditional methods can reliably detect only medium to large leaks in the active state. In this case, especially in the PEM fuel cell system, high system airtightness is an important factor for safety. This is because hydrogen is a flammable gas and is usually present in large quantities in PEM fuel cells.

この場合、流体システムの漏れを検出するための本発明による方法は、好適な形式で車両、特に燃料電池車両に使用され得る。本発明による方法では、具体的にまず、少なくとも1つの第1の流体の第1の流出量が所定の時間間隔内で算出される。この場合、第1の流体の流出量の算出は、直接的にまたは間接的に行われてよい。直接的な算出の場合、例えば流体の流れが充填レベル表示器または流量計を介して決定される。間接的な方法によれば、流出量は、好適には測定された様々な別のパラメータから間接的に決定することもできる。この場合、時間間隔は好適な形式で自由に選択されてよい。好適な形式で、第1の流体の流出量の算出と同時に、具体的に第1の流体の予測された消費が算出される。同時に行われる算出の代わりに、予測された消費は、第1の流体の流出量の算出の前または後に算出されてもよい。 In this case, the method according to the invention for detecting a leak in a fluid system can be used in a suitable form for a vehicle, particularly a fuel cell vehicle. Specifically, in the method according to the present invention, first, the first outflow amount of at least one first fluid is calculated within a predetermined time interval. In this case, the calculation of the outflow amount of the first fluid may be performed directly or indirectly. For direct calculations, for example, fluid flow is determined via a fill level indicator or flow meter. According to the indirect method, the runoff amount can also be determined indirectly from various other parameters, preferably measured. In this case, the time interval may be freely selected in a suitable format. In a preferred format, at the same time as the calculation of the outflow of the first fluid, specifically the predicted consumption of the first fluid is calculated. Instead of the simultaneous calculations, the predicted consumption may be calculated before or after the calculation of the first fluid runoff.

しかしながら、算出された流出量と算出された予測消費との間のできるだけ説得力のある比較のために、好適な形式で、算出と算出の間の時間間隔は時間的にできるだけ互いに近くに位置しているべきであり、好適には同じであるべきである。さらに、算出された流出量若しくは算出された予測消費の間のできるだけ説得力のある比較のために、時間間隔は概ね同じ長さでなければならない。選択的に、次いで相応の補外法がより長い時間間隔に亘って行われる場合は、2つの算出値が、より短い時間間隔で決定されることも可能である。 However, for the most compelling comparison between the calculated runoff and the calculated predicted consumption, in a suitable format, the time intervals between the calculations are located as close to each other in time as possible. Should be, and preferably the same. In addition, the time intervals should be approximately the same length for the most compelling comparison between the calculated runoff or the calculated predicted consumption. Optionally, the two calculated values may be determined at shorter time intervals if the corresponding extrapolation method is then performed over a longer time interval.

第1の流体の流出量の算出後、並びに第1の流体の予測された消費の算出後に、具体的に、第1の流体の算出された流出量と算出された予測消費との間の差分が算出される。この場合、差分の算出は、個別の値から直接的にまたは所定数の個別の値の算出後に初めて平均化された値に基づいて行われてもよい。次いで、時間的に差分の算出後に、漏れの検出が行われ、漏れは、算出された差分と基準値との比較に基づいて具体的に決定される。この場合、基準値は好適な形式でシステムに依存する一定の値であって、この値は、場合によっては測定不正確さを考慮してよい。したがって、基準値は、システムが完全に気密であって測定不正確さがまったく存在しないことを前提とすれば、理想的には0である。したがって、この場合、第1の流体の予測された消費と流出量との間の差分も確認されない。 After calculating the runoff of the first fluid and after calculating the predicted consumption of the first fluid, specifically, the difference between the calculated runoff of the first fluid and the calculated predicted consumption. Is calculated. In this case, the calculation of the difference may be performed directly from the individual values or based on the values averaged for the first time after the calculation of a predetermined number of individual values. Then, after the calculation of the difference in time, the leakage is detected, and the leakage is specifically determined based on the comparison between the calculated difference and the reference value. In this case, the reference value is a system-dependent constant value in a suitable form, which may take into account measurement inaccuracies in some cases. Therefore, the reference value is ideally 0, assuming the system is completely airtight and there are no measurement inaccuracies. Therefore, in this case, the difference between the predicted consumption and the outflow of the first fluid is also not confirmed.

しかしながら、完全に気密なシステムは存在せず、場合によって測定不正確さが避けられないので、これは一定の基準値に基づいて前もって考慮されてよい。その間に、基準値と算出された差分との比較は様々な形式で行われてよい。最も簡単な場合、比較は、基準値と算出された差分との単なる差に基づいて行われ、この場合、漏れは、特に少なくとも所定の限界値だけ基準値からずれている場合に検出され得る。様々なシステムに使用可能であり個別の環境条件を考慮した特にフレキシブルな検出方法の枠内で、公差ファクター若しくは公差範囲もこの検出方法に加えられてよい。公差ファクターを使用する場合、漏れは例えば、ずれと公差ファクターとの積が限界値を上回るときに初めて検出されるので、公差ファクターは外部の条件およびシステム条件に応じて決定され得る。選択的に、公差範囲を使用する場合、漏れは例えば、ずれと公差範囲との合計が限界値を上回ると初めて検出され得る。漏れの連続的な検査を保証するために、さらに好適な形式で、具体的な方法のステップ1~4が周期的に繰り返されるようになっていてよい。この方法の説得力を改善し、場合によってはこの方法の精度を高めるために、相応の次のステップが開始される前に、この方法の個別のステップだけを複数回繰り返すようになっていてもよい。 However, this may be considered in advance based on certain reference values, as no completely airtight system exists and measurement inaccuracies are unavoidable in some cases. In the meantime, the comparison between the reference value and the calculated difference may be made in various formats. In the simplest case, the comparison is based on the mere difference between the reference value and the calculated difference, in which case the leak can be detected, especially if it deviates from the reference value by at least a predetermined limit. Tolerance factors or tolerance ranges may also be added to this detection method within the framework of a particularly flexible detection method that can be used in a variety of systems and takes into account individual environmental conditions. When using the tolerance factor, the tolerance factor can be determined depending on external and system conditions, for example, because the leak is only detected when the product of the deviation and the tolerance factor exceeds the limit value. Optionally, when using a tolerance range, leaks can only be detected, for example, when the sum of the deviation and the tolerance range exceeds the limit. In a more preferred format, steps 1 to 4 of the specific method may be periodically repeated to ensure continuous inspection of the leak. In order to improve the persuasiveness of this method and, in some cases, to improve the accuracy of this method, even if only the individual steps of this method are repeated multiple times before the corresponding next step is started. good.

好適な形式で、本発明の枠内で、少なくとも1つの第1の流体の流出量の算出を、少なくとも部分的に第1の流体の圧力測定および/または温度測定に基づいて行うようになっていてよい。この場合、圧力測定および/または温度測定に基づく流出量の決定は、流体の流出量の簡単かつフレキシブルな算出形式だけではなく、同時に精確な算出形式も約束する。特に高揮発性のガスにおいて、例えば充填レベル表示、フローティング、流量計に基づく体積決定はしばしば誤っている。何故ならば、流体の組成に応じて容器内の流体の密度は変化し、それによって体積決定に狂いが生じ得るからである。これに対して、圧力測定および/または温度測定によれば、流体体積は例えば2つの異なる時点で算出され、流体体積の差を介して流出量が異なる時点で決定され得る。したがって、PEM燃料電池では、例えば水素の流出量は体積差を介して決定され得る。この場合、水素の体積は、次のように構成されてよい:
V(H)=p/p T/T
この式中、PおよびTは大気圧(1.01310Pa)若しくは室温(298.15K)、およびVはタンクの正味体積を表す。2つの異なる時点における水素の体積差から、流出した水素の(規格条件に換算された)体積が得られ、この流出した水素の体積から最終的に、流出した水素の質量若しくは物質量が選択的に算出され得る。
In a preferred manner, within the framework of the invention, the calculation of the outflow of at least one first fluid is at least partially based on pressure and / or temperature measurements of the first fluid. It's okay. In this case, the determination of the outflow amount based on the pressure measurement and / or the temperature measurement promises not only a simple and flexible calculation form of the outflow amount of the fluid but also an accurate calculation form at the same time. Especially in highly volatile gases, volume determination based on, for example, filling level display, floating, flowmeter is often erroneous. This is because the density of the fluid in the container changes depending on the composition of the fluid, which can cause a deviation in the volume determination. In contrast, according to pressure and / or temperature measurements, the fluid volume can be calculated, for example, at two different time points and can be determined at different time points with different outflows through the difference in fluid volume. Therefore, in a PEM fuel cell, for example, the amount of hydrogen outflow can be determined via the volume difference. In this case, the volume of hydrogen may be constructed as follows:
V (H 2 ) = p / p 0 * T / T 0 * V 0
In this equation, P 0 and T 0 represent atmospheric pressure (1.013 * 106 Pa) or room temperature (298.15K), and V 0 represents the net volume of the tank. From the volume difference of hydrogen at two different time points, the volume of hydrogen that has flowed out (converted to the standard conditions) is obtained, and the mass or amount of substance of the hydrogen that has flowed out is finally selected from the volume of hydrogen that has flowed out. Can be calculated in.

第1の流体の予測された消費の算出に関連して、本発明の枠内でさらに、この算出が、発生した電流に基づいておよび/または排出弁若しくはエア抜きバルブから検出された流出量に基づいて、および/または流体システムのための特性値に基づいて、少なくとも部分的に行われるようになっていてよい。この場合、特に簡単な算出は、測定された電流若しくは通過した電荷から第1の流体の予測消費を算出することによって得られる。この場合、流体の消費は、反応の化学量論に従って得られる。PEM燃料電池においては、例えば測定された電荷の2クーロンが水素の1モルの物質量に相当する。この物質量は相応に、再び相応の流体の体積若しくは質量に換算されてよい。 In connection with the calculation of the predicted consumption of the first fluid, further within the framework of the present invention, this calculation is based on the generated current and / or to the outflow detected from the drain valve or bleed valve. It may be at least partially done based on and / or on the basis of characteristic values for the fluid system. In this case, a particularly simple calculation is obtained by calculating the predicted consumption of the first fluid from the measured current or the charge passed through. In this case, the consumption of the fluid is obtained according to the stoichiometry of the reaction. In a PEM fuel cell, for example, 2 coulombs of measured charge correspond to 1 mol of substance of hydrogen. This amount of substance may be appropriately converted back into the volume or mass of the corresponding fluid.

測定された電流若しくは通過した電荷に基づく算出に加えて、第1の流体の予測消費の特に精確な決定およびエラー警告の防止のために、排出弁若しくはエア抜きバルブからの流出量の追加的な算入が有意義であり得る。例えばこのために実際に十分でない酸素が燃料電池の他方側に供給されると、水素の一部が反応時に全く変換されないことが生じ得る。この場合、もっぱら測定された電流若しくは通過した電荷から算出された、予測しようとする水素の消費が、実際に流出した量よりも著しく少ないので、修正なしに排出弁若しくはエア抜きバルブからの流出量を追加的に算入することによって、システムの完全なシール性にも拘わらず漏れが検出され、それによってエラー警告が作動されることになる。排出弁若しくはエア抜きバルブからのガス流出は、弁特性、温度および差圧から決定され得るか、または排出弁若しくはエア抜きバルブの開放なしに決定され得る。 In addition to calculations based on the measured current or the charge passed, additional outflow from the drain or bleed valve to make a particularly precise determination of the predicted consumption of the first fluid and prevent error warnings. Inclusion can be meaningful. For example, if oxygen that is not really sufficient for this is supplied to the other side of the fuel cell, it can happen that some of the hydrogen is not converted at all during the reaction. In this case, the amount of hydrogen that is intended to be predicted, calculated solely from the measured current or the charge that has passed, is significantly less than the amount that actually flows out, so the amount of outflow from the discharge valve or air bleeding valve without modification. By additionally including, leaks will be detected despite the complete sealing of the system, which will trigger an error warning. Gas outflow from the exhaust valve or air bleeding valve can be determined from valve characteristics, temperature and differential pressure, or without opening the exhaust valve or air bleeding valve.

この具体的な方法をさらに最適化するために、特に精確であると同時に様々なシステムにフレキシブルに適合可能である本発明の方法の実施例の枠内で、第1の流体の予測消費の算出を少なくとも部分的に、流体システムのための特性値に基づいて行うようになっていてよい。この場合、流体システムのための特性値は一定であってよいか、または連続的に若しくは周期的に決定され若しくは測定されてもよい。この場合、システム特有の若しくは流体特有のまたは環境条件特有の値を算出に取り入れるために、流体システムのための特性値の算入を、特に測定された電流若しくは通過した電荷に基づいて第1の流体の予測消費の算出と組み合わせて、および排出弁若しくはエア抜きバルブからの流出量の算入と組み合わせて行うことが有意義であり得る。したがって、流体システムのための特性値は、システム特有の値の枠内で、例えば(燃料電池の)スタックモデルまたは個別のスタックに適用され、例えばシステムの変換率に関係してよい。流体特有の値の枠内で、これらの特性値は、例えば流体の密度または揮発性、引火性、着火性または有毒性に関して関連付けされ得る。環境条件特有の値の枠内で、特徴付けされた値は、例えば外気温度、外圧等に関連付けされてよい。 To further optimize this specific method, within the framework of the embodiments of the method of the invention, which is particularly accurate and flexiblely adaptable to various systems, the calculation of the predicted consumption of the first fluid. At least in part, may be based on characteristic values for the fluid system. In this case, the characteristic values for the fluid system may be constant, or may be determined or measured continuously or periodically. In this case, in order to incorporate system-specific, fluid-specific or environmental condition-specific values into the calculation, the inclusion of characteristic values for the fluid system is specifically based on the measured current or the charge passed through the first fluid. It may be meaningful to do this in combination with the calculation of the predicted consumption of and in combination with the inclusion of the outflow from the exhaust valve or air bleeding valve. Thus, characteristic values for fluid systems may be applied, for example, to a stack model (of a fuel cell) or individual stacks, within the framework of system-specific values, and may be related to, for example, the conversion rate of the system. Within the framework of fluid-specific values, these characteristic values may be associated, for example, with respect to fluid density or volatility, flammability, ignitability or toxicity. Within the framework of values specific to environmental conditions, the characterized values may be associated with, for example, outside air temperature, outside pressure, and the like.

最大限のシステム気密性の他に、できるだけ経済的な運転を保証するために、本発明によればさらに、この方法は、燃料電池システムの運転中でも信頼できる形式で実施できるようになっている。運転中の信頼できる漏れ検知は、安全上の重要性に基づいて、特に危険物質、例えば燃えやすい、発火性の、可燃性の若しくは健康を害する恐れのある流体等を使用する際に望まれている。そうでなければ、運転中の信頼できる漏れ検知の代わりに、ここでは定常状態での1回の試験だけが残っている。漏れに関する信頼できる試験を、定常状態においてのみ実施できるようにするためには、流体システムの運転はもちろん著しく制限されるであろう。何故ならば、場合によっては生じる漏れを望ましくは周期的に監視する場合、信頼できる漏れ試験を実施するために、運転が規則的な時間間隔で中断されなければならないからである。本発明の枠内で、より小さい漏れの検知は、各接続箇所および時間毎に既に100規格mlよりも少ない漏れ、好適には各接続箇所および時間毎に50規格mlより少ない漏れ、特に各接続箇所および時間毎に20規格mlより少ない漏れが、信頼できる方法とみなされる。 In addition to maximizing system airtightness, to ensure as economical operation as possible, the present invention further allows this method to be carried out in a reliable manner while the fuel cell system is in operation. Reliable leak detection during operation is desired, especially when using dangerous substances such as flammable, ignitable, flammable or potentially health hazards, based on their safety importance. There is. Otherwise, instead of reliable leak detection during operation, only one steady-state test remains here. The operation of the fluid system will, of course, be significantly limited in order for reliable testing of leaks to be performed only in steady state. This is because if the leaks that occur in some cases are preferably monitored periodically, the operation must be interrupted at regular time intervals in order to perform a reliable leak test. Within the framework of the present invention, the detection of smaller leaks is already less than 100 standard ml leaks at each connection point and time, preferably less than 50 standard ml per connection point and time, especially each connection. Leaks less than 20 standard ml per location and time are considered a reliable method.

また、本発明による方法の信頼性を特にさらに最適化するために、この方法は、第1の流体の流出量および予測消費に加えて漏れを検出するために、少なくとも1つの第2の流体の少なくとも1つのパラメータ、特に第2の流体の流出量および/または予測消費を考慮することが考えられる。第2の流体のパラメータを算入することは、具体的な方法が流体システムの漏れを検知するために排出弁若しくはエア抜きバルブからの流出量の決定を含んでいないときに、特に有意義である。したがって、例えば第2の流体の使用量を知ることによって、および反応の化学量論を知ることによって、反応相手の化学量論的に等しい物質量比が使用されているかどうか確認され、これによって、反応相手の等しくない物質量比において第1の流体の予測消費が相応に修正され得る。さらに本発明によれば、第1の流体の流出量の決定および予測消費、並びに第2の流体の少なくとも1つのパラメータに加えて、漏れ検知の信頼性をさらに改善するために、別のパラメータ、例えば薄膜の水分および/または開始システムの水分および/またはガス分布構造の水分および/または周囲温度および/または周囲圧力等が考慮されてよい。 Also, in order to further optimize the reliability of the method according to the invention, the method of at least one second fluid to detect leaks in addition to runoff and predicted consumption of the first fluid. It is conceivable to consider at least one parameter, in particular the runoff and / or expected consumption of the second fluid. Including the parameters of the second fluid is particularly meaningful when the specific method does not include determining the amount of outflow from the drain valve or air bleed valve to detect a leak in the fluid system. Therefore, for example, by knowing the amount of the second fluid used, and by knowing the stoichiometry of the reaction, it is confirmed whether or not the stoichiometrically equal substance ratio of the reaction partner is used, thereby. The predicted consumption of the first fluid can be modified accordingly at unequal material ratios of the reaction partners. Further according to the present invention, in addition to the determination and predicted consumption of the outflow of the first fluid, and at least one parameter of the second fluid, another parameter, in order to further improve the reliability of leak detection. For example, the water content of the thin film and / or the water content of the starting system and / or the water content of the gas distribution structure and / or the ambient temperature and / or the ambient pressure may be considered.

好適な形式で、本発明の枠内で同様に、前記比較に基づいて、好適には、基準値と、流出量と予測消費との間の算出された差分との間の差に基づいて、特に少なくとも限界値を上回るときに、エラーが表示され、かつ/またはエラー解消措置が開始されるようになっていてよい。この場合、エラー解消措置は、特に流体システムの少なくとも部分的な遮断、特に完全な遮断のことであってよい。部分的な若しくは完全なシステム遮断の代わりに、純粋なエラー表示の枠内で限界値を上回ったときに、エラー表示によって少なくとも警告メッセージが発せられ、この警告メッセージにより、漏れを検知するための特により精確な別のテストが開始されるようになっていてもよい。 In the preferred form, also within the framework of the invention, based on the comparison, preferably based on the difference between the reference value and the calculated difference between the runoff and the predicted consumption. In particular, the error may be displayed and / or the error resolution measure may be started when at least the limit value is exceeded. In this case, the error-resolving measure may be, in particular, at least a partial shutoff of the fluid system, in particular a complete shutoff. Instead of a partial or complete system shutdown, the error display will at least issue a warning message when the limit is exceeded within the bounds of a pure error display, and this warning message is a special feature for detecting leaks. May be started by another more accurate test.

基本的に、本発明による方法は、燃料電池システムの中圧力側または高圧力側(中圧力は約9~13bar/高圧力は約350~700bar)において行われ、この場合、最小の漏れはこの方法によって既に早期に検出可能である。 Basically, the method according to the invention is carried out on the medium or high pressure side of the fuel cell system (medium pressure is about 9-13 bar / high pressure is about 350-700 bar), in which case the minimum leakage is this. It can already be detected early by the method.

同様に本発明の対象は、流体システム、特に燃料電池システム内で漏れを検出するための、請求項8の特徴を有するシステムである。この場合、具体的に、このシステムは、少なくとも1つの第1の流体の流出量を算出するための値を検出するための少なくとも1つのセンサユニットを有している。さらに、本発明によるシステムは、第1の流体の予測消費を算出し、かつ算出された流出量と算出された予測消費との差分を算出するためのコントロールユニットを有している。また、具体的なシステムは、基準値と算出された差分との比較に基づいて漏れを検出するための少なくとも1つの検出ユニットを有している。これにより、本発明によるシステムは、本発明による方法に関連して詳しく説明されているのと同じ利点をもたらす。本発明による方法の実施例で既に説明されているように、具体的なシステムは、好適な形式で流体システム、特に燃料電池システムの漏れを検出するために設けられている。本発明によるシステムの利点は、特に、このシステムによって、流体システムのアクティブな状態においても、既に小さい漏れの確実な検知を行うことができる、という点にある。本発明によるシステムを制御するために、個別のシステム構成要素は、好適な形式で互いにコントロール接続若しくは通信接続を介して接続されている。この場合、コントロール接続若しくは通信接続は、少なくとも部分的に無線式および/または少なくとも部分的に有線式に構成されていてよい。好適な形式で、コントロール接続および/または通信接続は、BUSシステム、特にCAN-BUSシステムを介して互いに接続されていてよい。 Similarly, an object of the present invention is a system having the characteristics of claim 8 for detecting a leak in a fluid system, particularly a fuel cell system. In this case, specifically, the system has at least one sensor unit for detecting a value for calculating the outflow of at least one first fluid. Further, the system according to the present invention has a control unit for calculating the predicted consumption of the first fluid and calculating the difference between the calculated outflow amount and the calculated predicted consumption. Further, the specific system has at least one detection unit for detecting a leak based on a comparison between a reference value and a calculated difference. Thereby, the system according to the invention provides the same advantages as described in detail in connection with the method according to the invention. As already described in the embodiments of the method according to the invention, specific systems are provided to detect leaks in fluid systems, especially fuel cell systems, in a suitable manner. The advantage of the system according to the present invention is, in particular, that the system can reliably detect small leaks already, even in the active state of the fluid system. In order to control the system according to the present invention, the individual system components are connected to each other in a suitable manner via a control connection or a communication connection. In this case, the control connection or communication connection may be configured at least partially wirelessly and / or at least partially wired. In a preferred form, the control and / or communication connections may be connected to each other via a BUS system, in particular a CAN-BUS system.

さらに、本発明の枠内で、前記システムは、エラーを表示若しくは解消するためのエラー表示ユニット若しくはエラー解消ユニットを有しており、この場合、エラー表示ユニット若しくはエラー解消ユニットは好適な形式で、流出量および予測消費から算出された差分と基準値との間の差に関する限界値を上回るときに作動されるように提案される。この場合、エラー表示エレメントとして、バイブレータ式および/または聴覚式および/または視覚式のエレメントが設けられていてよい。この場合、エラー表示は、例えばすべてのエレメントまたは個別のエレメントのみを含んでいてよい。同様に、表示エレメントは、ずれの大きさによって決定されてもよい。したがって、小さいずれの場合は、単にバイブレータ式のエラー表示が行われてよい。大きいずれの場合は、もっぱら聴覚式のエラー表示が行われるかまたはバイブレータ式および聴覚式のエラー表示が行われてよい。さらに大きいずれの場合は、最終的に視覚式のエラー表示のみが行われるかまたは聴覚式、バイブレータ式および視覚式のエラー表示が行われてよい。したがって、流体システムの運転者にとって、既に非常に早期に、検知された漏れおよび漏れの大きさも明らかにされ得る。エラー解消ユニットとして、具体的に、少なくとも部分的な、好適には完全な流体システムの遮断のための緊急遮断エレメントが設けられていてよい。 Further, within the framework of the present invention, the system has an error display unit or an error resolution unit for displaying or eliminating an error, in which case the error display unit or the error resolution unit is in a suitable form. It is proposed to be activated when the margin for the difference between the difference calculated from the runoff and expected consumption and the reference value is exceeded. In this case, the error display element may be provided with a vibrator type and / or an auditory type and / or a visual type element. In this case, the error display may include, for example, all elements or only individual elements. Similarly, the display element may be determined by the magnitude of the shift. Therefore, in any case of small size, a vibrator type error display may be simply performed. In either case, the auditory error display may be performed exclusively, or the vibrator and auditory error display may be performed. In any of the larger cases, only the visual error display may be finally performed, or the auditory, vibrator and visual error display may be performed. Therefore, for the operator of the fluid system, the leaks and the magnitude of the leaks already detected can be revealed very early on. The error-resolving unit may specifically be provided with an emergency shutoff element for shutting off at least partial, preferably complete fluid systems.

同様に、本発明の対象は、本発明による方法を実施するための本発明によるシステムを有する燃料電池システム、特に(燃料電池)車両である。 Similarly, the subject of the invention is a fuel cell system, particularly a (fuel cell) vehicle, having the system according to the invention for carrying out the method according to the invention.

流体システムの漏れを検出するための本発明によるシステムの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a system according to the invention for detecting leaks in a fluid system. 流体システムの漏れを検出するための本発明による方法の概略図である。FIG. 3 is a schematic representation of a method according to the invention for detecting leaks in a fluid system.

本発明のその他の利点、特徴および詳細は、図面を参照して本発明の複数の実施例の詳細を示す以下の説明に記載されている。この場合、請求項および明細書に記載された特徴は、それぞれ個別でもまたは任意の組み合わせでも本発明にとって重要である。 Other advantages, features and details of the invention are described in the following description detailing a plurality of embodiments of the invention with reference to the drawings. In this case, the features described in the claims and the specification are important to the present invention, either individually or in any combination.

図面では、同じ技術的な特徴のためには同じ符号が使用されている。 In the drawings, the same reference numerals are used for the same technical features.

図1は、流体システムの漏れを検出するための本発明によるシステム1の概略図を示す。システム1は、アノード12およびカソード14を有する燃料電池を有しており、このアノード12とカソード14とはメンブレン16によって互いに分離されている。燃料電池を冷却するために、冷却循環路20を含有する冷却ユニット18が燃料電池のカソード14の側に配置されている。アノード12もカソード14も、メンブレン16と電気的に接続されている。運転中に、燃料電池のアノード12の周囲をアノードガス2が流れ、この場合、アノードガス2は水素である。水素2は容器2a内に配置されていて、この容器2aは、実際の容器圧力を測定するための圧力センサ8を有している。遮断弁4の開放によって、水素ガス2は、まずアノードガス管路22の高圧領域22a内に導かれる。ここでは、まず導出されたガス2の圧力測定および温度測定が、配置された圧力センサ8および温度センサ10を介して行われ、その結果から導出された水素2の量が決定される。調量弁6の調整された開放によって、アノードガス2は調量弁6の後ろに配置されたアノードガス管路22の中圧領域22bを貫流し、この中圧領域22b内に、実際の水素圧を測定するための、中くらいの圧力領域のために設計された別の圧力センサ8′が配置されている。別の調量弁6を介してガスは最終的にアノード12に達する。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a system 1 according to the invention for detecting leaks in a fluid system. The system 1 has a fuel cell having an anode 12 and a cathode 14, and the anode 12 and the cathode 14 are separated from each other by a membrane 16. In order to cool the fuel cell, a cooling unit 18 including a cooling circulation path 20 is arranged on the side of the cathode 14 of the fuel cell. Both the anode 12 and the cathode 14 are electrically connected to the membrane 16. During operation, the anode gas 2 flows around the anode 12 of the fuel cell, in which case the anode gas 2 is hydrogen. The hydrogen 2 is arranged in the container 2a, and the container 2a has a pressure sensor 8 for measuring the actual container pressure. By opening the shutoff valve 4, the hydrogen gas 2 is first guided into the high pressure region 22a of the anode gas pipeline 22. Here, first, the pressure measurement and the temperature measurement of the derived gas 2 are performed via the arranged pressure sensor 8 and the temperature sensor 10, and the amount of the hydrogen 2 derived from the result is determined. Due to the regulated opening of the metering valve 6, the anode gas 2 flows through the medium pressure region 22b of the anode gas pipeline 22 arranged behind the metering valve 6, and the actual hydrogen is entered in the medium pressure region 22b. Another pressure sensor 8'designed for the medium pressure range for measuring pressure is located. The gas finally reaches the anode 12 via another metering valve 6.

アノードガス2とは反対側でカソードガス2′、この実施例では酸素を含有する新鮮空気が導入される。空気2′は吸入され、まずエアフィルタ28内でフィルタ処理される。この場合、空気濾過は、燃料電池構成要素を、吸入された空気からの有害な微粒子およびガス状の汚染物質に対して保護するために用いられる。濾過後に、カソードガス2′は圧縮機26によって圧縮され、遮断弁4を介してカソードガス管路24の高圧領域24a内にガイドされ、この高圧領域24a内でやはり、アノードガス管路22内と同様に、配置された圧力センサ8および温度センサ10を介して圧力測定および温度測定が行われる。算出された圧力値および温度値から、流出されたアノードガス2の量の決定と同様に、流出されたカソードガス2′の量も決定され得る。次いで、カソードガス2′は調量弁6を介してカソードガス管路24の中圧領域24b内に導かれ、この中圧領域24b内に、実際のカソードガス圧の圧力測定のための、中くらいの圧力領域のために設計された別の圧力センサ8′が配置されている。別の調量弁6を介して、カソードガス2′は最終的にカソード14に供給される。アノード12の側にも、またカソード14の側にも、導出管路22c若しくは24cが配置されており、これらの導出管路22c若しくは24c内で圧力は圧力センサ8″を介して決定され、これらの圧力センサを介して、消費されなかった残留ガスおよび反応生成物が特に、設けられた遮断弁4′によって(コントロールされて)導出され得る。この場合、反応時に消費されなかったアノードガス2は、好適な形式で相応の管路を介してシステムに新たに供給される。 Cathode gas 2'on the opposite side of the anode gas 2, fresh air containing oxygen in this embodiment is introduced. The air 2'is sucked in and first filtered in the air filter 28. In this case, air filtration is used to protect the fuel cell components from harmful particulates and gaseous contaminants from the inhaled air. After filtration, the cathode gas 2'is compressed by the compressor 26 and guided through the shutoff valve 4 into the high pressure region 24a of the cathode gas pipeline 24, again within the high pressure region 24a and into the anode gas pipeline 22. Similarly, pressure measurement and temperature measurement are performed via the arranged pressure sensor 8 and temperature sensor 10. From the calculated pressure and temperature values, the amount of outflowed cathode gas 2'can be determined in the same way as the amount of outflowed anode gas 2 is determined. Next, the cathode gas 2'is guided into the medium pressure region 24b of the cathode gas pipeline 24 via the metering valve 6, and in this medium pressure region 24b, medium for measuring the actual pressure of the cathode gas pressure. Another pressure sensor 8'designed for about the pressure range is located. The cathode gas 2'is finally supplied to the cathode 14 via another metering valve 6. A lead-out line 22c or 24c is arranged on both the anode 12 side and the cathode 14 side, and the pressure in these lead-out lines 22c or 24c is determined via the pressure sensor 8 ″. The unconsumed residual gas and reaction product can be derived (controlled), in particular, by the provided isolation valve 4'through the pressure sensor of. In this case, the anode gas 2 not consumed during the reaction. , Newly supplied to the system via the appropriate pipeline in a suitable format.

図2は、ステップ40~50を有する、流体システム1の漏れを検出するための本発明による方法の概略図を示す。ステップ40若しくは42において、所定の時間間隔内で好適には同時に、少なくとも第1の流体2の流出量、並びにこの第1の流体2の予測された消費が算出される。時間的に同時に行われる算出の代わりに、予測された消費は、第1の流体2の流出量の算出前または算出後に算出されてもよいが、この場合、算出間の時間間隔は、算出された流出量と算出された予測消費との間のできるだけ説得力のある比較を得るために、互いにできるだけ近くにあるべきであり、それによって2つの算出のためのできるだけ同じ条件が得られる。さらに、算出された流出量若しくは算出された予測消費の間のできるだけ説得力のある比較のために、時間間隔は概ね同じ長さでなければならない。選択的に、次いで相応の補外法がより長い時間間隔に亘って行われる場合には、2つの算出された値のうちの一方がより短い時間間隔で決定されてもよい。 FIG. 2 shows a schematic representation of a method according to the invention for detecting a leak in a fluid system 1 having steps 40-50. In step 40 or 42, at least the outflow of the first fluid 2 and the predicted consumption of the first fluid 2 are calculated at a suitable time within a predetermined time interval. Instead of the temporally simultaneous calculations, the predicted consumption may be calculated before or after the calculation of the outflow of the first fluid 2, in which case the time interval between calculations is calculated. In order to obtain the most compelling comparison between the runoff and the calculated expected consumption, they should be as close as possible to each other, thereby providing the same conditions as possible for the two calculations. In addition, the time intervals should be approximately the same length for the most compelling comparison between the calculated runoff or the calculated predicted consumption. Optionally, if the corresponding extrapolation method is then performed over a longer time interval, one of the two calculated values may be determined at a shorter time interval.

流出量の算出後並びに第1の流体2の予測された消費後に、ステップ44で2つの値の差分の算出が行われる。この場合、差分の算出は、個別の値から直接に行われてよいか、または所定数の複数の値の算出後に初めて、これらの値の平均値に基づいて行われてもよい。 After the runoff amount is calculated and after the predicted consumption of the first fluid 2, the difference between the two values is calculated in step 44. In this case, the calculation of the difference may be performed directly from the individual values, or may be performed based on the mean value of these values only after the calculation of a predetermined number of values.

ステップ46で最終的に、流出量と第1の流体2の予測された消費との間の算出された差分が基準値と比較され、この比較に基づいて漏れが識別される。この場合、基準値は、好適な形式で、場合によっては測定不正確さが考慮され得る、システムに依存する一定の値である。したがって、システムが完全に気密であって測定不正確さがまったく存在しないことを前提とすれば、理想的には0であってよい。したがって、この場合、流出量と第1の流体の予測された消費との間の差がないと検知されてもよい。しかしながら完全に気密なシステムは存在せず、場合によっては測定不正確さが避けられないので、これは、予め一定の基準値に基づいて考慮されてよい。基準値と算出された差分との間の比較は、様々な形式で行うことができる。最も簡単な場合、比較は、基準値と算出された差分との間の単なる差に基づいて行われ、この場合、漏れは特に基準値から所定の限界値だけずれている場合に検出される。様々なシステムに使用可能であり、個別の環境条件を考慮する特別にフレキシブルな検出方法の枠内で、追加的に公差ファクター若しくは公差範囲もこの検出方法に加えられてよい。流出量と予測された消費との間の算出された差分を基準値と比較する際に、所定の限界値を上回るずれが算出されると、ステップ48若しくは50で、エラーが表示され、かつ/またはエラー解消措置が開始される。ずれが所定の限界値を上回らないと、ステップ40~46が新たに実行される。漏れに関する継続的な検査を保証するために、基準値と、流出量と予測された消費との差分との間のずれが、限界値を上回らなくなるまで、具体的な方法のステップ40~46が周期的に繰り返し行われるようになっていれば、特に好適である。 Finally, in step 46, the calculated difference between the runoff and the predicted consumption of the first fluid 2 is compared to the reference value and the leak is identified based on this comparison. In this case, the reference value is a system-dependent constant value, in a suitable form, in which measurement inaccuracies can be considered in some cases. Therefore, it can ideally be zero, assuming the system is completely airtight and there are no measurement inaccuracies. Therefore, in this case, it may be detected that there is no difference between the runoff amount and the predicted consumption of the first fluid. However, since there is no completely airtight system and measurement inaccuracies are unavoidable in some cases, this may be considered in advance based on certain reference values. Comparisons between reference values and calculated differences can be made in a variety of formats. In the simplest case, the comparison is based on a mere difference between the reference value and the calculated difference, in which case the leak is detected, especially if it deviates from the reference value by a predetermined limit. Additional tolerance factors or tolerance ranges may be added to this detection method within the framework of a particularly flexible detection method that can be used in a variety of systems and takes into account individual environmental conditions. When comparing the calculated difference between the runoff and the predicted consumption with the reference value, if a deviation above a predetermined limit is calculated, an error is displayed and / in step 48 or 50. Or error resolution measures are started. If the deviation does not exceed a predetermined limit value, steps 40 to 46 are newly executed. To ensure continuous inspection for leaks, steps 40-46 of the specific method are followed until the discrepancy between the reference value and the difference between the spill and the predicted consumption does not exceed the limit. It is particularly preferable if it is repeated periodically.

1 システム、流体システム
2 第1の流体、アノードガス
2′ 第2の流体、カソードガス
2a 容器
4 遮断弁
4′ 遮断弁、排出弁若しくはエア抜きバルブ
6 調量弁
8,8′,8″ 圧力センサ
10 温度センサ
12 アノード
14 カソード
16 メンブレン
18 冷却ユニット
20 冷却循環路
22 アノードガス管路
22a 高圧領域
22b 中圧領域
22c 導出管路
24 カソードガス管路
24a 高圧領域
24b 中圧領域
24c 導出管路
26 圧縮機
28 エアフィルタ
40,42,44,46,48,50 ステップ
1 System, fluid system 2 1st fluid, anode gas 2'second fluid, cathode gas 2a container 4 shutoff valve 4'shutoff valve, exhaust valve or air bleeding valve 6 metering valve 8,8', 8 "pressure Sensor 10 Temperature sensor 12 anode 14 cathode 16 membrane 18 cooling unit 20 cooling circulation channel 22 anode gas pipeline 22a high pressure region 22b medium pressure region 22c outlet pipeline 24 cathode gas pipeline 24a high pressure region 24b medium pressure region 24c outlet pipeline 26 Compressor 28 Air filter 40, 42, 44, 46, 48, 50 steps

Claims (10)

流体システム内の漏れを検出するための方法において、
少なくとも1つの第1の流体(2)の流出量を、所定の時間間隔内で算出するステップと、
前記第1の流体(2)の予測消費を所定の時間間隔内で算出するステップと、
前記算出された流出量と前記算出された予測消費との間の差分を算出するステップと、
基準値と前記算出された差分との比較に基づいて漏れを検出するステップと、
を有している、流体システム内の漏れを検出するための方法。
In the method for detecting leaks in fluid systems,
A step of calculating the outflow amount of at least one first fluid (2) within a predetermined time interval, and
A step of calculating the predicted consumption of the first fluid (2) within a predetermined time interval, and
The step of calculating the difference between the calculated outflow amount and the calculated predicted consumption, and
The step of detecting a leak based on the comparison between the reference value and the calculated difference, and
A method for detecting leaks in a fluid system.
少なくとも1つの第1の流体(2)の流出量の算出を、少なくとも部分的に前記第1の流体(2)の圧力測定および/または温度測定に基づいて行うことを特徴とする、請求項1記載の方法。 Claim 1 is characterized in that the calculation of the outflow amount of at least one first fluid (2) is performed at least partially based on the pressure measurement and / or the temperature measurement of the first fluid (2). The method described. 前記第1の流体(2)の予測消費の算出を、発生した電流に基づいておよび/または排出弁若しくはエア抜きバルブ(4′)から検出された流出量に基づいて、および/または流体システムのための特性値に基づいて、少なくとも部分的に行うことを特徴とする、請求項1または2記載の方法。 The calculation of the predicted consumption of the first fluid (2) is based on the generated current and / or the outflow detected from the exhaust valve or the air bleeding valve (4'), and / or of the fluid system. The method according to claim 1 or 2, wherein the method is performed at least partially based on the characteristic value for the purpose. 前記方法を、車両の流体システムにおいて使用することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is used in a fluid system of a vehicle. 前記方法を、燃料電池システムの運転中に信頼できる形式で実施できるようにすることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the method can be carried out in a reliable manner while the fuel cell system is in operation. 前記方法は、前記第1の流体(2)の流出量および予測消費に加えて漏れを検出するために、少なくとも1つの第2の流体(2′)の少なくとも1つのパラメータを考慮することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 The method is characterized by considering at least one parameter of at least one second fluid (2') to detect a leak in addition to the outflow and predicted consumption of the first fluid (2). The method according to any one of claims 1 to 5. 前記比較に基づいて、好適には、基準値と、流出量と前記予測消費との間の算出された差分との間の差に基づいて、エラーを表示し、かつ/またはエラー解消措置を開始することを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。 Based on the comparison, optionally, display an error and / or initiate an error resolution measure based on the difference between the reference value and the calculated difference between the runoff and the predicted consumption. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the method is to be performed. 流体システム内の漏れを検出するためのシステムにおいて、
少なくとも1つの第1の流体(2)の流出量を所定の時間間隔内で算出するための値を検出するための少なくとも1つのセンサユニットと、
前記第1の流体(2)の予測消費を所定の時間間隔内で算出し、かつ算出された前記流出量と算出された前記予測消費との間の差分を算出するための少なくとも1つのコントロールユニットと、
基準値と前記算出された差分との比較に基づいて漏れを検出するための少なくとも1つの検出ユニットと、
を有している、流体システム内の漏れを検出するためのシステム。
In a system for detecting leaks in a fluid system
At least one sensor unit for detecting a value for calculating the outflow amount of at least one first fluid (2) within a predetermined time interval, and
At least one control unit for calculating the predicted consumption of the first fluid (2) within a predetermined time interval and calculating the difference between the calculated outflow amount and the calculated predicted consumption. When,
At least one detection unit for detecting a leak based on the comparison between the reference value and the calculated difference, and
A system for detecting leaks in fluid systems.
前記システムが、エラーを表示若しくは解消するためのエラー表示ユニット若しくはエラー解消ユニットを有しており、前記エラー表示ユニット若しくは前記エラー解消ユニットは好適な形式で、流出量および予測消費から算出された前記差分と基準値との間の差に関する限界値を上回るときに作動されることを特徴とする、請求項8記載のシステム。 The system has an error display unit or an error resolution unit for displaying or eliminating an error, and the error display unit or the error resolution unit is in a suitable format and is calculated from the outflow amount and the predicted consumption. The system of claim 8, wherein the system is activated when the limit value for the difference between the difference and the reference value is exceeded. 請求項8または9記載のシステムを有する、車両の燃料電池システム。 A vehicle fuel cell system having the system according to claim 8 or 9.
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